選擇合適的電源轉(zhuǎn)換器僅僅意味著找到最便宜的器件嗎？事實(shí)證明，電源電壓轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的創(chuàng)新是值得的，并且在市場上獲得了回報(bào)——因?yàn)檫@些解決方案帶來了更高質(zhì)量的產(chǎn)品。本文概述了一些利用低成本電源轉(zhuǎn)換器成功實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例。
幾乎所有電氣設(shè)備都會(huì)使用電源轉(zhuǎn)換器。多年來，人們針對(duì)不同的應(yīng)用條件設(shè)計(jì)和調(diào)整電源轉(zhuǎn)換器。今天的制造商之間是否有差異化？
大約20年前，大多數(shù)應(yīng)用正從線性穩(wěn)壓器(LDO)過渡到效率更高的開關(guān)穩(wěn)壓器。這主要是通過開發(fā)內(nèi)置功率開關(guān)的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，以及大大便利此類開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案應(yīng)用的簡化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。
在那段重要時(shí)期之后，人們經(jīng)常聽到這樣的說法——電源業(yè)務(wù)再也無法產(chǎn)生重大創(chuàng)新，進(jìn)一步的發(fā)展只會(huì)朝著一個(gè)方向前進(jìn)：降低成本。
簡單電壓轉(zhuǎn)換即足夠的應(yīng)用
當(dāng)今肯定存在簡單電壓轉(zhuǎn)換即足夠的應(yīng)用。用于消費(fèi)類產(chǎn)品的非常便宜的開關(guān)模式電源就是此類應(yīng)用。具有幾乎相同技術(shù)特性的電源轉(zhuǎn)換器廣泛存在。線性穩(wěn)壓器的價(jià)格在幾歐分左右。簡單的開關(guān)穩(wěn)壓器也能以每個(gè)幾美分的價(jià)格獲得，但其具有明顯的優(yōu)勢，例如更高的效率和更大的輸出電流。
電壓轉(zhuǎn)換器市場的差異化
然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，電源領(lǐng)域?qū)⒉辉儆袆?chuàng)新的預(yù)測被證明是錯(cuò)誤的。車上點(diǎn)煙器的USB充電適配器承諾提供最高2 A的充電電流，集成開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器將12 V轉(zhuǎn)換為5 V，可以很好地產(chǎn)生2 A電流。它使用標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器來減少如此高功率下的熱損失。遺憾的是，當(dāng)使用此USB適配器時(shí)，車載收音機(jī)便停止工作。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換的頻率引起了強(qiáng)輻射，使無線電接收變得不可能。選擇開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，注意的是價(jià)格，而不是確保低電磁輻射。
另一個(gè)例子是帶紐扣電池的廉價(jià)設(shè)備，短時(shí)間運(yùn)行后就要更換電池。在這里，最終產(chǎn)品的質(zhì)量同樣直接取決于電源的質(zhì)量。
適合大多數(shù)應(yīng)用的高質(zhì)量創(chuàng)新
還要考慮到持續(xù)良率以及防止過多電子廢物，這也需要開發(fā)更高質(zhì)量的電源產(chǎn)品。以下是一些非常成功的創(chuàng)新目標(biāo)：
提高轉(zhuǎn)換效率
能源是要花錢的。這筆錢是支付給電力公司，用于購買電池，還是為光伏系統(tǒng)制造太陽能電池所導(dǎo)致的開銷，無關(guān)緊要。因此，對(duì)于所有電源，轉(zhuǎn)換效率都很重要。在某些情況下，它甚至是決定性的。
電壓轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的能量損耗會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)問題：系統(tǒng)升溫。如果必須安裝額外的散熱器和風(fēng)扇，成本可能變得相當(dāng)高。電子電路的可靠性和耐用性通常也嚴(yán)重依賴于工作溫度。
無論是極低功率（如能量收集或電池供電應(yīng)用）還是高功率（如kW范圍的電源單元），提高效率基本上是所有功率轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新目標(biāo)。20年前，85%的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器來說可能很不錯(cuò)，但在今天的許多應(yīng)用中，即使93%也不夠高。看起來這種趨勢不會(huì)很快消失。100%的轉(zhuǎn)換效率似乎并不容易達(dá)到，但仍將是目標(biāo)。100%效率的電壓轉(zhuǎn)換意味著沒有任何損失。
為了提高效率，可以進(jìn)行許多創(chuàng)新。創(chuàng)新之一是可以降低RDS(ON)（即處于“導(dǎo)通”狀態(tài)的開關(guān)的電阻）和開關(guān)的柵極電容。另外也可以提高開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度，這會(huì)降低開關(guān)損耗。許多此類改進(jìn)是由GaN和SiC等新型開關(guān)技術(shù)提供的。
另一種選擇是降低無源元件（如電感和電容）的損耗。
除了這些明顯的調(diào)整之外，還有涉及開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法。LTC7821 混合轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)例子。它將電荷泵與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，在電源電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓時(shí)可實(shí)現(xiàn)非常高的效率。對(duì)于48 V至12 V轉(zhuǎn)換，在20 A輸出電流和500 kHz開關(guān)頻率的條件下，可以實(shí)現(xiàn)97.3%的轉(zhuǎn)換效率。使用標(biāo)準(zhǔn)商用硅MOSFET可產(chǎn)生240 W的輸出功率。圖1說明了混合降壓轉(zhuǎn)換概念。損耗之所以如此之低，是因?yàn)殡姾杀玫墓ぷ餍蕵O高，而且由于電源電壓已經(jīng)減半，下游降壓轉(zhuǎn)換器可以在最優(yōu)電壓范圍內(nèi)工作。
圖1. 混合開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于在某些應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特別高的轉(zhuǎn)換效率
改善電磁兼容性
正在進(jìn)行重要?jiǎng)?chuàng)新的第二個(gè)領(lǐng)域是電磁兼容性(EMC)。這是電路獲得批準(zhǔn)的重要先決條件。開關(guān)穩(wěn)壓器總是會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。輻射是每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器都有的脈沖電流產(chǎn)生的，其大小取決于開關(guān)頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換的速度。所用電源中的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射也可能引發(fā)電子設(shè)備中其他電路部分的功能問題。因此，減少所產(chǎn)生的干擾非常重要。
推動(dòng)創(chuàng)新的動(dòng)力之一是以減少對(duì)額外濾波器的需求。開關(guān)穩(wěn)壓器的干擾越少，則附加濾波器和屏蔽元件的成本越低。因此，改進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器IC很受用戶歡迎。
過去幾年最大的創(chuàng)新之一是ADI公司的Silent Switcher®概念。它通過各種技巧，例如平衡對(duì)稱脈沖電流和去除鍵合線，顯著降低了開關(guān)穩(wěn)壓器電路的輻射發(fā)射。此概念如圖2所示。該創(chuàng)新可配合各種開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)涫褂谩D2顯示了降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞拿}沖電流和所產(chǎn)生的磁場。磁場分為兩部分，由于對(duì)稱排列，它們方向相反，在很大程度上彼此抵消。
圖2. 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器中的脈沖電流，Silent Switcher技術(shù)使所產(chǎn)生的脈沖磁場相互抵消
EMC仿真
在經(jīng)過認(rèn)證的測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行EMI測量的成本很高。修改已經(jīng)開發(fā)好的硬件也很昂貴。因此，電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要支柱是使用ADI LTpowerCAD®等工具進(jìn)行EMC優(yōu)化。在開發(fā)過程中使用仿真工具實(shí)現(xiàn)EMC優(yōu)化具有巨大的潛力。圖3顯示了作為LTpowerCAD開發(fā)環(huán)境一部分的EMI濾波器設(shè)計(jì)器。利用此工具可以計(jì)算開關(guān)穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)發(fā)射，如果干擾太高，可以設(shè)計(jì)濾波器來提供補(bǔ)救措施。
圖3. LTpowerCAD工具，用于簡單計(jì)算開關(guān)穩(wěn)壓器電路中的傳導(dǎo)發(fā)射
高開關(guān)頻率和快速控制環(huán)路
電源的另一個(gè)趨勢是開關(guān)頻率越來越高，這使得低成本且節(jié)省空間的電路成為可能。在電源輸出端的電壓紋波相同的情況下，使用較低的電感和電容值可以降低電感和電容的成本。LTC3311 就是這種現(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓器IC的一個(gè)例子。它是基于ADI Silent Switcher平臺(tái)的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。對(duì)于高開關(guān)頻率（ LTC33xx 開關(guān) 穩(wěn)壓器系列可擴(kuò)展到10 MHz），除了上述優(yōu)勢外，還存在實(shí)現(xiàn)非常快速控制環(huán)路的可能性。
快速控制環(huán)路意味著即使動(dòng)態(tài)負(fù)載發(fā)生變化，輸出電壓也僅表現(xiàn)出很小的電壓偏差。尤其是FPGA，它要求即使在高負(fù)載瞬變情況下，電源電壓也不能超出一個(gè)很窄的調(diào)節(jié)范圍。確保這一點(diǎn)的方法之一是添加大量高質(zhì)量輸出電容，而更優(yōu)雅且更便宜的方法是使用高開關(guān)頻率的開關(guān)穩(wěn)壓器IC，從而獲得高控制環(huán)路帶寬。電容成本的節(jié)省為開關(guān)穩(wěn)壓器IC創(chuàng)新提供了資金。
更高的集成度和易用性
正在出現(xiàn)大量創(chuàng)新的第四個(gè)領(lǐng)域是高集成度的完整電源電路。第一步是將多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器集成到一個(gè)IC外殼中，這些產(chǎn)品通常被稱為電源管理集成電路(PMIC)。它們節(jié)省了電路板空間，可作為大批量電源管理ASIC提供，或作為目錄產(chǎn)品提供，用作常見應(yīng)用的通用PMIC解決方案。ADP5014 是一款受歡迎的電源構(gòu)建模塊——例如，用于FPGA。圖4顯示了一個(gè)使用這種PMIC模塊為FPGA供電的電路。
圖4. 作為范例，ADP5014是一款提供四個(gè)不同輸出電壓的高集成度開關(guān)穩(wěn)壓器
除高度集成外，模塊還非常易于使用。模塊幾乎將整個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器電路集成在一個(gè)外殼中。通常，只有輸入和輸出電容是外接的，電路其余部分（包括電感器）都是集成的。因此，用戶不再需要選擇外部無源元件。模塊可以簡單地焊接到主板上，可靠地產(chǎn)生所需的電壓。µModule®選擇的存在使得幾乎所有應(yīng)用都有合適的模塊可用。目前，大約有200種不同的電源模塊可供使用。
已經(jīng)優(yōu)化的µModule特別適合于滿足復(fù)雜的電源要求。例如， LTM4700 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器可提供高達(dá)100 A的輸出電流。特殊外殼確保散熱最優(yōu)，因此即使在這種高電流情況下，也能保證可靠運(yùn)行。許多µModule采用特別設(shè)計(jì)，使得作為外殼一部分的內(nèi)置電感像散熱器一樣將熱量釋放到環(huán)境空氣中，因此電路板只需吸收來自電源的少量額外熱量。這大大簡化了大功率電源的設(shè)計(jì)。
µModule創(chuàng)新使得構(gòu)建不會(huì)過熱、針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化且易于使用的小型電路成為可能。所有這些都能節(jié)省資金，使該產(chǎn)品組在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中非常受歡迎。進(jìn)一步創(chuàng)新的潛力仍然很大。
預(yù)期電源領(lǐng)域會(huì)有更多創(chuàng)新
隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模擬前端、微控制器和FPGA等電氣負(fù)載的發(fā)展，對(duì)電源的要求在不斷變化和調(diào)整。需要的電壓正在降低，而需要的電流卻在增加。因此，標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)穩(wěn)壓器將不再能夠滿足未來的需求，這一發(fā)現(xiàn)可以解釋為什么電源仍有很大的創(chuàng)新潛力。 |
